ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ УМЕНЬШЕНИЯ СТАТИЗМА РЕГУЛЯТОРА ТУРБИН ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ГЛУБОКОГО ПАДЕНИЯ ЧАСТОТЫ ПРИ ОТКЛЮЧЕНИИ ГЕНЕРАТОРА В ИЗОЛИРОВАННОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЕ

​EVALUATION OF THE EFFECTIVENESS OF REDUCING TURBINE GOVERNOR STATISM TO PREVENT DEEP FREQUENCY DROP FOLLOWING A GENERATOR TRIP IN AN ISOLATED POWER SYSTEM

Ivashin Daniil Konstantinovich

Master's student, Basic Department of JSC SUENKO, Industrial University of Tyumen,

Tyumen, Russia

Khmara Guzel Azatovna

Scientific supervisor, head of the Department of electric power engineering, Industrial University of Tyumen,

Tyumen, Russia

АННОТАЦИЯ

 В статье проводится обоснование метода предотвращения глубокого провала частоты при отключении генератора в изолированных энергосистемах путём коррекции величины статизма.

ABSTRACT

The article substantiates a method for preventing a deep frequency drop following a generator trip in isolated power systems by adjusting the amount of statism.

Ключевые слова: энергосистемы малой мощности, система автоматического регулирования, автоматическая частотная разгрузка, частотное регулирования турбин, отклонение частоты, статизм.

Keywords: low-capacity power systems, automatic control system, automatic underfrequency load shedding, turbine frequency control, frequency deviation, statism.

В условиях развития распределённой генерации и увеличения доли изолированных энергорайонов проблема обеспечения устойчивости энергосистем малой мощности приобретает важное значение. Классические подходы к автоматическому регулированию частоты (АРЧ), эффективные в составе объединенных энергосистем (ОЭС), часто демонстрируют недостаточную эффективность при работе в локальных энергоузлах [1]. Особенно остро эта проблема проявляется при внезапном возникновении небалансов активной мощности, когда стандартные настройки систем автоматического регулирования возбуждения и турбин не позволяют предотвратить срабатывание автоматической частотной разгрузки (АЧР), ведущее к отключению потребителей.

Под статизмом регулирования турбины (δ) понимается зависимость изменения частоты вращения турбины от изменения нагрузки агрегата. Классическое выражение для статической характеристики регулятора скорости имеет вид:

где Δf — отклонение частоты, ΔP — изменение мощности агрегата.

Традиционно для турбин, работающих в крупных энергосистемах, статизм выбирается в пределах 4–5%. Это делается для обеспечения статической устойчивости параллельной работы множества генераторов и предотвращения «охоты» регуляторов. Однако для малой энергосистемы такой уровень статизма становится фактором, снижающим качество регулирования.

Физический смысл уменьшения величины статизма состоит в увеличении крутизны статической характеристики регулятора: при том же отклонении частоты турбина быстрее набирает или сбрасывает мощность. Формально это выражается в том, что коэффициент усиления регулятора K, обратный статизму (K=1/δ), увеличивается.

Для количественной оценки эффективности предложенного метода рассмотрим гипотетическую реконструкцию аварийного события на Камчатской ТЭЦ-1, произошедшей в 2025 году [2].

Таблица 1.

Исходные данные для моделирования

При отключении третьего генератора возник дефицит мощности величиной в 45 МВт.

Для оценки максимального отклонения частоты можно воспользоваться приближённой формулой динамического падения частоты без учёта работы регуляторов до момента работы вторичного регулирования:

Воспользовавшись формулой (1), вычислим установившееся отклонение частоты .

где  = 0,9 МВт/Гц — коэффициент регулирующего эффекта нагрузки.

Исходя из полученных вычислений, частота сети снизится до 48,78 Гц. Однако в реальности, при такой инерции, еще до достижения этого уровня начинают срабатывать вплоть до третьей очереди АЧР, что приведёт к отключению части потребителей до того, как регулятор успел полностью открыть сервомотор турбины.

При уменьшении величины статизма в два раза получим следующие результаты:

Частота стабилизируется до 49,39 Гц. Воспользуемся формулой (2) для рассмотрения динамики процесса, смоделировав его в среде MATLAB с момента t=0. Результаты отобразим в виде сравнительных графиков.

Рисунок 1. Модель регулирования скорости турбины с логическим управлением АЧР

Рисунок 2. Сравнительные графики переходных процессов при статизме 5 и 2,5%

Графики наглядно демонстрируют, что при статизме δ = 2,5 % частота снижается менее глубоко, а мощность набирается быстрее, что позволяет минимизировать последствия аварийного возмущения. При этом исключено срабатывание третьей очереди АЧР, объём отключаемой нагрузки сокращён на 10 МВт.

Однако несмотря на достигнутое улучшение, при статизме δ = 2,5 % без дополнительных мер срабатывание первых двух очередей АЧР остаётся неизбежным из-за высокой скорости снижения частоты.

Таким образом, проблема качества регулирования турбин в энергосистемах малой мощности заключается в том, что стандартные настройки статизма регуляторов турбин не позволяют предотвратить срабатывание очередей АЧР при аварийном дефиците мощности. Уменьшение статизма до 2,5% позволяет лишь уменьшить число очередей АЧР. Следовательно, решение заключается в применении комплекса мер по настройке главного регулятора с уменьшенной величиной статизма в сочетании с форсировкой и адаптивным алгоритмом регулирования турбин и применением сверхбыстрых накопителей энергии, чтобы возместить дефицит мощности и избежать повторного снижения частоты.

Список литературы:

1. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Суслов К.В. Адаптивное управление частотой в энергосистемах с малой инерцией на основе прогнозирующих моделей // Известия РАН. Энергетика. 2022. № 2. С. 45–58. DOI:10.31857/S0002331022020035.
2. Аварийное отключение генерирующего оборудования на Камчатской ТЭЦ-1 и срабатывание автоматики частотной разгрузки : технический отчет / Мин-во ЖКХ и энергетики Камчат. края ; ПАО «Камчатскэнерго». – Петропавловск-Камчатский, 2025. – 2 с.
3. ГОСТ Р 58335-2018. Единая энергетическая система и изолированно работающие энергосистемы. Оперативно-диспетчерское управление. Автоматическое ограничение снижения частоты. Нормы и требования. – М. : Стандартинформ, 2019.
4. Обухов С.Г., Суворов А.А., Герасимов Д.О.Оценка влияния параметров настройки регуляторов турбин на динамику частоты в изолированной энергосистеме // Релейная защита и автоматизация электроэнергетических систем : материалы XII Всероссийской научно-практической конференции (г. Чебоксары, 25–26 ноября 2021 г.). – Чебоксары : Изд-во Чуваш. ун-та, 2021. – С. 124–130.
5. СТО 59012820.27.100.003-2021. Автоматическое регулирование частоты и активной мощности в ЕЭС России. Нормы и требования. – М. : Изд-во ОАО «СО ЕЭС», 2021. – 48 с.
6. Куликов, А.Л. Применение статистического подхода для адаптации автоматики отключения потребителей к их фактической нагрузке [Текст] / А.Л. Куликов, М.В. Шарыгин // Электрические станции. – 2016. – № 12. – С. 41–47. – ISSN 0201-4564.
7. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения : межгосударственный стандарт : дата введения 2014-07-01. — М. : Стандартинформ, 2014. — 21 с.